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★国家管网集团东部原油储运有限公司

1　方案目标和概述

为解决长输油气管道核心控制技术“卡脖子”的问题，提升长输油气管道控制系统自主可控水平，保障长输油气管道生产过程安全及信息安全，本项目基于现有的国产PLC软硬件研究基础，针对长输油气管道领域特定应用需求，对标国际主流产品，通过研究进口元器件全国产化替代与国产元器件性能优化选型、平台自适应的安全可信技术、基于全国产硬件平台的面向多任务控制的数据保护和运行控制技术、跨平台编程软件国产CPU编译适配技术、面向多总线的统一模块配置策略等，提出全国产PLC、RTU软硬件架构，构建全国产PLC、RTU技术体系，形成基于国产芯片、控制软件的PLC和RTU产品。

本项目使用的产品性能指标满足国家管网需求，整体功能性能指标达到国内先进水平，在长输油气管道控制系统对进口产品进行全国产自主可控替代，实现现场应用，提升长输油气管道基础设施的安全水平。

2　方案详细介绍

（1）机柜安装布线

现场控制柜的规格为：800mm宽×600mm深×2100mm高，颜色为灰色，统一为威图标准柜。为了保证现场信号能同时顺利地接入两套控制系统，需将信号一分为二，信号一分为二分配器和切换的相应设备计划装于旧系统控制柜内。目前站场控制柜柜前面板与后面板均已装满设备，信号一分为二分配器和切换的相应设备只能装在柜子侧面，具体改造如图1所示。

图1 站场控制柜侧面安装图

（2）采集信号分配

数字量输入信号接线：现场1个数字量输入信号需要同时接到2个控制系统，本方案2套控制系统的数字量输入选用继电器隔离，通过双触点继电器实现信号分离，具体接线如图2所示。

图2 数字量输入信号接线图

模拟量输入信号接线：现场1个模拟量输入信号需要同时接到2个控制系统。本方案配置模拟量及RTD信号一进二出安全栅，将现场仪表信号分配为两路输出后分别接入原系统和国产化PLC系统，具体原理及接线如图3、图4、图5所示。

图3 模拟量输入原理图

图4 4-20mA模拟量输入接线图

图5 PT100热电阻模拟量输入接线图

（3）控制权限切换

数字量输出信号接线：现场同1个设备在同一时间只能由1套PLC控制系统控制，为了更好地解决此问题，本方案2套控制系统的数字量输出采用继电器的方式来隔离信号输出，接线如图6所示。

图6 数字量输出信号接线图

模拟量输出信号接线：现场同1个设备在同一时间只能由1套PLC控制系统控制，为了更好地解决此问题，本方案2套控制系统的模拟量输出采用继电器切换回路的方式来隔离信号输出，接线如图7所示。

图7 模拟量输出信号接线图

（4）新老系统无扰切换实现方式

新、老系统的控制权限切换，通过机柜门上的切换开关及切换开关所驱动的切换继电器来实现。现场设备控制信号接入PLC机柜内切换继电器触点公共端，老系统输出信号接入继电器的常闭触点，新系统输出信号接入继电器的常开触点。当控制权限为老系统控制时，继电器不得电，现场控制信号与老系统输出信号导通，接收老系统控制信号。切换为新系统控制时，切换开关驱动所有输出信号的切换继电器，切换继电器线圈闭合后，触点动作，现场设备控制信号与新系统输出信号导通，接收新系统控制信号。

对于输油泵、调节阀，中控/站控、PID自动/手动、就地/远控、新老系统切换应实现无扰动切换。站场控制模式切换应确保站场控制参数设定值保持不变。

为实现新、老系统无扰动切换，主要需要考虑模拟量控制信号的输出值及PID回路的设定值。开关量控制信号的切换，由于大部分都是脉冲信号控制，或者命令持续时间也较短，仅需考虑在系统切换前无相关操作、观察两套系统的DO输出模块中输出通道无输出即可。

为实现模拟量控制信号的无扰动，以模拟量控制阀门为例，主要从以下几个方面考虑：

（1）受控设备就地、远控的无扰动切换：就地状态时，接受现场旋钮操作控制，PLC阀位控制信号跟踪实际阀门开度反馈信号；当切换为远控时，PLC阀位控制输出信号为实际阀门开度信号，阀门开度不变。

（2）受控设备手、自动的无扰动切换：手动状态时，接受操作员站HMI下发开度控制，PLC阀位自动控制信号跟踪实际阀门开度反馈信号；当切换为自动时，PLC阀位控制输出信号为实际阀门开度信号，阀门开度不变；自动状态下，HMI手动开度控制信号跟踪实际阀门开度反馈信号，当切换为手动时，HMI手动开度控制信号为实际阀门开度信号，阀门开度不变。当阀门处于远控、自动模式时切换为就地状态时，阀门控制模式自动切换为手动模式。

（3）站控/中心的无扰动切换：站控模式下，中控跟踪站控相应设定值；中控模式下，站控跟踪中心设定值。达到中心、站控切换的无扰动切换。

（4）新、老PLC系统的切换：老系统控制时，新系统相应控制模式自动切换为手动模式，阀位控制信号跟踪实际阀门开度反馈信号。新系统控制时，老系统相应控制模式自动切换为手动模式，阀位控制信号跟踪实际阀门开度反馈信号。由于新、老系统间并无直接通信，新、老系统的设定值需人工同步。建议对相关设定值修改时，新老系统同时修改设定。在系统切换前，人工检查相关设定值是否一致。

3　代表性及推广价值

2023年9月5日，该项目在山东省分公司临邑输油站成功投运。该成果的成功投运，实现了国外控制系统完全替代，解决了长输油气管道控制系统的“卡脖子”问题。

3.1　技术示范

油气管道全国产化PLC和RTU研制与应用已于2023年9月在山东省分公司临邑输油站成功投运，项目设计、实施过程中研发出多种新技术，已发表发明专利2项、实用新型专利2项、软件著作权2项，发表相关论文3篇，申请管网集团技术秘密1项，全国产PLC/RTU测试方案1套。

3.2　商业价值

数据显示，近些年国内经济呈现出了高速发展的态势，而随着相关技术的不断完善，油气储运行业也已经逐渐发展了起来。根据中研网数据，预计“十三五”到“十四五”期间，我国油气管网主干道总投资将达到16,000亿元，新建10多万公里管道。本项目将推动国产化安全可控PLC及RTU产品技术水平的提升，提高油气储运这一关键基础设施领域的安全，并实现国产化安全可控PLC及RTU产品在长输油气管道行业的首台套应用，后期具备大规模推广应用空间。

3.3　社会价值

首套国产化PLC元器件100%国产化，使长输油气管道控制系统真正做到自主创新、安全可靠，填补了国内空白，对国家管网加速推进构建“全国一张网”、促进全面加强基础设施建设具有重要积极的意义。

 摘自《自动化博览》2024年7月刊